JP4056102B2 - 残留磁束密度の低いけい素鋼板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏磁による突入電流が問題となる配電、電力、産業機器用トランスや直流検出センサー、変成器(CT)などの鉄心として用いられる残留磁束密度の低いけい素鋼板に関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、配電トランス等には磁束密度を高く設計することができ、鉄損を低く抑えられることから方向性けい素鋼板が使用されているが、残留磁束密度が高いために偏磁という問題を生じる。この偏磁は、ビルディングやインバーター電源が多く使用されるような環境における配電トランスにおいて、停電や電源再投入時に場合によっては磁束が飽和するために過電流が流れ、配電系統の電源機器の破損のみならず、他の電力系統へ重大な被害を及ぼすことがある。したがって、このような配電トランスにおいては、偏磁を避けるために磁路にギャップを設けて残留磁束密度を下げるように設計する。
【0003】
このため、本来方向性けい素鋼板の持つ高磁束密度特性を生かせず、トランスは大型化を余儀なくされている。また、ギャップを設けることにより、ギャップ部において鉄損の増加も生じる。
【0004】
一方、直流電流検出センサーは、磁路にギャップを形成し、そのギャップを横切る磁束をセンサーにより検出するが、この直流電流検出センサーにおいても前記配電トランスと同様の問題が生じる。すなわち、鉄心の残留磁束密度が大きいことから、高電流から低電流へ下げる場合において電流を検出しようとしても、鉄心の残留磁気によってセンサーとしての機能を果たすことができなくなる。
【0005】
また、電力用、送電用の変成器(CT)についても雷によって大電流が流れた際の偏磁による送電線の断線評価の誤診を防ぐために、意図的にカットを入れて使用するケースがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ギャップを設けることなく、偏磁を抑えることができる残留磁束密度の低いけい素鋼板を提供することを目的とする。
また、これに加えて鉄損が低い、あるいは飽和磁束密度が高いけい素鋼板を提供することを目的とする。
【0007】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、けい素鋼板において平均Si濃度を規定し、かつ厚さ方向に一定のSi濃度勾配を形成することにより、鉄損を増加させることなく残留磁束密度を著しく低くすることができることを見出した。また、Si濃度およびSiの濃度勾配をさらに規定することにより、さらに一層残留磁束密度が低くなること、鉄損が低くなること、あるいは飽和磁束密度が高くなることを見出した。
【0008】
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであって、第1に、Siを平均で7wt%以下(ただし、6.2wt%以上を除く)含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする残留磁束密度の低いけい素鋼板を提供するものである。
【0009】
第2に、Siを平均で7wt%以下(ただし、6.2wt%以上を除く)含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が5.5wt%以上であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする残留磁束密度の低いけい素鋼板を提供するものである。
【0010】
第3に、Siを平均で3.5wt%以下含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする飽和磁束密度が高く残留磁束密度の低いけい素鋼板を提供するものである。
【0011】
第4に、Siを平均で7wt%以下(ただし、6.2wt%以上を除く)含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5〜5.5wt%であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする鉄損が低く残留磁束密度の低いけい素鋼板を提供するものである。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係るけい素鋼板は、基本的には上述したように、Siを平均で7wt%以下含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上である。
【0013】
板厚方向にSiの濃度勾配を形成した場合の残留磁束密度(Br)の値を図1に示す。ここでは、板厚0.3mmの圧延法にて製造された鋼板に対し、1200℃のSiCl4 雰囲気中で浸珪処理を行い、その後1200℃のN2 雰囲気中で拡散処理を行って種々のSi量およびSiの濃度勾配を形成したサンプルを用いた。図1は、横軸に平均Si量をとり、縦軸にSi濃度の最大値と最小値との差ΔSiをとって、各点における最大磁化Bm=1.4Tまで励磁したときの直流BH曲線の残留磁束密度Brを示す図である。なおΔSiはサンプルの断面についてEPMA(電子プローブマイクロアナライザ)で分析した結果である。
【0014】
この図から、Siの濃度勾配を形成し、ΔSiが増加すると残留磁束密度は単調に低下することがわかる。そして、ΔSiを0.5%以上とすれば、十分に低い残留磁束密度が得られることがわかる。ΔSiを増加させると残留磁束密度が低下する原因は完全には解明されていないが、Siの添加とともに格子定数が小さくなることから、Siの濃度勾配を形成することにより板内に張力が発生するためと推定される。
【0015】
したがって、本発明では、Siの濃度勾配を形成し、Si濃度の最大値と最小値との差ΔSiが0.5wt%以上であることを要件としている。さらには、ΔSiが0.7wt%以上であることが好ましい。
【0016】
また、図1からわかるように、ΔSiが5.5wt%以上であれば、0.1T以下の極めて低い残留磁束密度を得ることができる。したがって、本発明では極めて残留磁束密度が低くなるための要件として、ΔSiが5.5wt%以上であることを規定している。
なお、この場合において、板厚方向のSi濃度を測定する方法は特に限定されないが、EPMAなどのX線マイクロアナライザーで測定することが好適である。
【0017】
このように鋼板の厚さ方向にSiの濃度勾配をつけること自体は、特開昭62−227033号から227036号まで、特開昭62−227077号、および特開平4−246157号の各公報に開示されている。しかし、これらの目的は、浸珪処理法で高けい素鋼板を製造する際に、拡散処理時間を短くするため、途中で拡散処理を中断することにあり、その結果としてSiの濃度勾配が形成されるのであり積極的にSiの濃度勾配を形成するという思想は含まれていない。これらにおいて拡散処理を中断する時間は鉄損が劣化しない範囲で決められている。鉄損は種々の要因で決定されるが、これを低下させるためには残留磁束密度を高くすることが必要であり、上記各公報の技術は残留磁束密度があまり低下しない範囲で、Siの濃度勾配の許容値を求めたものであるといえる。これに対して本発明は残留磁束密度を低下させるために積極的にSiの濃度勾配を形成したものであり、上記各公報の技術とはSiの濃度勾配の意味合いが全く異なる。
【0018】
偏磁による突入電流は、残留磁束密度以外に飽和磁束密度とも関係し、飽和磁束密度が高いほど突入電流は小さくなる。したがって、板厚方向に濃度勾配を形成して残留磁束密度を低下させても、飽和磁束密度が低下したのでは、十分な効果が得られない。図2に示すように、飽和磁束密度は添加される平均Si量に逆比例するため、Si量が多すぎると好ましくない。また、平均Si濃度が7%を超えると加工性が悪くなり、打ち抜き製か極めて劣化する。したがって、本発明ではこのような観点から、Si濃度を平均で7wt%以下とすることを要件としている。
【0019】
また、このようにSi量が少なくなるほど飽和磁束密度が高くなり、特にSi量が3.5wt%以下となると飽和磁束密度が2.0T以上と極めて高い値が得られる。したがって、本発明では、残留磁束密度を低く維持したまま、飽和磁束密度を特に高くする条件として、Siを3.5wt%以下含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上であることを規定している。
なお、本発明でいう平均Si濃度は化学分析により得られる。
【0020】
本発明におけるSiの濃度勾配は、厚さ方向中央部が高くても低くても構わず、
厚さ方向に勾配が存在しさえすればよい。また、一方の表面から反対側の表面にかけて連続的に濃度勾配を持つものも含まれる。このような濃度勾配を形成するための方法は特に限定されないが、上述したようにSiCl4 雰囲気中で浸珪処理し、さらに拡散処理を施す方法を採用することが好ましい。
【0021】
このような本発明のけい素鋼板のヒステリシス曲線の特徴として最大磁束密度Bmに対する残留磁束密度Brの比であるBr/BmにBm依存性があることが挙げられる。すなわち、Bmが高くなるにつれてBrは飽和していくためにBmが高くなるほどBr/Bmが低下してくる。このため、実用上磁束密度を高く設定することができるという利点がある。
【0022】
次に、鉄損について説明する。
図3には、図1で用いた鋼板について、交流50Hz、Bm=1.2Tでの鉄損値W12/50を測定した結果を示す。この図から、Siを7wt%以下含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上であるという本発明の基本的要件を満たすことにより、残留磁束密度が低くなるのみならず、鉄損も低い実用的なけい素鋼板が得られることがわかる。
【0023】
また、図3から、ΔSiが0.5〜5.5wt%の範囲で、W12/50が2.0W/kg以下と極めて低い鉄損値となることがわかる。したがって、本発明では、残留磁束密度を低く維持したまま、鉄損を特に低くする条件として、Siを平均で7wt%以下含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、濃度の最大と最小の差が0.5〜5.5wt%であることを規定している。
【0024】
なお、本発明において、Si以外の元素は特に規定されず、他の元素は通常のけい素鋼板に含有される量であれば許容される。
【0025】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
表1の組成を有する板厚0.3mmの鋼板を圧延法にて作製し、SiCl4 雰囲気中1200℃で浸珪処理を施して鋼板表面にSi濃化層を形成し、引き続いて、N2 雰囲気中1200℃で拡散処理を施して、鋼板板厚方向にSi濃度勾配を有するけい素鋼板を作製した。
【0026】
【表1】
【0027】
なお、作製した試料の平均Si濃度は湿式分析、板厚方向のSi濃度の最大値と最小値との差ΔSiはEPMAで分析した。表1の鋼板Aを用いた場合は平均Si濃度が0.4〜3.0wt%、鋼板Bを用いた場合は平均Si濃度が3.5〜6.8wt%の試料を作製することができた。Si以外の元素の量は、浸珪処理の前後でほとんど変化しなかった。
【0028】
このようにして作製した鋼板から外径31mm、内径19mmのリング試料を採取し、直流BH曲線および50Hz交流磁気特性を測定した。
図1に最大磁化Bm=1.4Tまで励磁したときの直流BH曲線の残留磁束密度Brの値を示す。図1に示すように、本実施例のSi濃度において板厚方向にSi濃度勾配を形成し、ΔSiを0.5wt%以上とすることにより残留磁束密度Brの低いけい素鋼板が得られることが確認された。さらにΔSiを5.5wt%以上とすることで0.1T以下という極めて低いBrが実現された。また、平均Si濃度と飽和磁束密度の関係は図2に示すようになり、この図に示すように、平均Si濃度3.5wt%以下においては、飽和磁束密度が2.0T以上と極めて高い値を示した。
【0029】
図3に交流50Hz、Bm=1.2Tでの鉄損値W12/50を示す。図3に示すように、本実施例のSi濃度において板厚方向にΔSiを0.5wt%以上となるようなSi濃度勾配を形成することにより、残留磁束密度が低く、かつ鉄損も低い実用的なけい素鋼板が得られることが確認された。さらにΔSiが0.5〜5.5wt%の範囲において、W12/50が2.0W/kg以下という極めて低い鉄損が実現された。
【0030】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ギャップを設けることなく、偏磁を抑えることができる残留磁束密度の低いけい素鋼板を得ることができる。また、これに加えてさらに鉄損が低い、あるいは飽和磁束密度が高いけい素鋼板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】種々のSi濃度およびΔSiにおける、最大磁化Bm=1.4Tまで励磁したときの直流BH曲線の残留磁束密度Brを示す図。
【図2】平均Si濃度と飽和磁束密度との関係を示す図。
【図3】種々のSi濃度およびΔSiにおける、交流50Hz、Bm=1.2Tでの鉄損値W12/50を示す図。
Claims (4)
- Siを平均で7wt%以下(ただし、6.2wt%以上を除く)含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする残留磁束密度の低いけい素鋼板。
- Siを平均で7wt%以下(ただし、6.2wt%以上を除く)含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が5.5wt%以上であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする残留磁束密度の低いけい素鋼板。
- Siを平均で3.5wt%以下含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5wt%以上であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする飽和磁束密度が高く残留磁束密度の低いけい素鋼板。
- Siを平均で7wt%以下(ただし、6.2wt%以上を除く)含有し、板厚方向にSiの濃度勾配を有し、Si濃度の最大と最小の差が0.5〜5.5wt%であり、かつ前記Si濃度が、板厚最表面で最大かつ厚さ方向中央部で最小となることを特徴とする鉄損が低く残留磁束密度の低いけい素鋼板。
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